termoluminescenza

Luminescenza che, in alcuni materiali solidi, viene attivata in seguito a riscaldamento a temperatura superiore alla normale temperatura ambiente (ma comunque assai minore di quella a cui si manifesta l’incandescenza). Più specificamente, la t. è una fosforescenza termostimolata, ossia un’emissione di luce stimolata dall’aumento di temperatura, che ha luogo in solidi elettricamente isolanti (per es., in molti cristalli di calcite o di fluorite) dopo che è cessata l’eccitazione. Successivi cicli di riscaldamento non danno luogo a termoluminescenza.

La t., in generale, è accompagnata da una più o meno vistosa variazione di colore della sostanza o, più precisamente, da un cambiamento del suo spettro di assorbimento. Nella fosforescenza, una sostanza non metallica, eccitata in precedenza, emette luce d’intensità gradualmente decrescente nel tempo; intensità e ritmo di decrescita della stessa dipendono dalla temperatura del campione. Se la temperatura viene gradualmente innalzata, il rilascio dell’energia accumulata viene facilitato e l’emissione di luce assume l’aspetto di uno o più bagliori di intensità prima crescente, quindi decrescente. Questi bagliori caratterizzano qualitativamente il fenomeno.

In linea di principio, tutte le sostanze che non presentano conducibilità metallica sono, in qualche misura e in intervalli di temperatura appropriati, termoluminescenti; il fenomeno tuttavia assume aspetti vistosi solo in alcune sostanze. Una t. tanto intensa da essere visibile anche in una stanza appena oscurata è presentata, per es., da molti cristalli di calcite o di fluorite riscaldati.

La t. è un fenomeno complesso, che coinvolge la conoscenza di molti processi elettronici e ionici nei solidi isolanti. Essa comprende due stadi: a) un cristallo isolante a una temperatura relativamente non elevata viene eccitato, per es., mediante irraggiamento con radiazione ionizzante; in questo primo stadio il solido subisce alterazioni di vario genere su scala atomica e si accumula in esso energia; b) si sospende l’eccitazione e, in alcuni casi, il solido restituisce una parte dell’energia immagazzinata sotto forma di luce, la cui intensità decresce nel tempo con andamento esponenziale (fosforescenza); quando successivamente si surriscalda il campione, si osserva che esso emette luce la cui intensità presenta uno o più massimi, detti bande (o picchi) di termoluminescenza. Le cause dell’eccitazione possono essere diverse: radiazione visibile o ultravioletta, radiazione X o γ, particelle ionizzanti, sforzi meccanici dovuti a pressione o a sfregamento.

fig.

Nel caso di radiazioni ionizzanti di alta energia, l’irraggiamento produce la formazione di portatori liberi di carica elettrica (elettroni e lacune) nel cristallo isolante e di imperfezioni reticolari che possono svolgere la funzione di trappola, cioè catturare i portatori liberi e restituirli in seguito a riscaldamento. I portatori che vengono catturati danno infatti luogo a diverse serie di centri con livelli di energia nella banda proibita del cristallo isolante e funzioni d’onda localizzate; se il livello di energia del centro è prossimo agli estremi della banda proibita, l’energia termica provoca il rilascio dei portatori catturati dalle trappole, i quali ricombinandosi emettono radiazione elettromagnetica. La probabilità di eccitazione termica nel caso più semplice segue la legge exp(−E/kT), dove E è la profondità della buca di potenziale della trappola, k la costante di Boltzmann e T la temperatura termodinamica del campione. Poiché questa probabilità cresce al crescere della temperatura, l’intensità della radiazione emessa aumenta rapidamente quando il campione viene riscaldato, passa per un massimo, quindi decresce, fino ad annullarsi quando le trappole sono completamente svuotate. L’energia luminosa totale emessa per t. è proporzionale al numero di portatori inizialmente intrappolati, dunque anche alla dose di radiazioni ionizzanti assorbita dal campione. Generalmente, in ogni campione sono presenti diversi tipi di trappole, caratterizzati da valori differenti dell’energia di attivazione; di conseguenza, la curva di t. ha una forma complessa, presentando diversi picchi (v. fig.) anche sovrapposti. Nel caso in cui la trappola sia un centro di colore, allo svuotamento corrisponde anche la scomparsa della banda di assorbimento caratteristica del centro stesso.